Ứng dụng thuật giải bầy đàn để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA HƯỚNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ:

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO)

ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ PID TRONG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA S 0 2

S KC 0 0 3 2 5 6

Trang 2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA HƯỚNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO

DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 605270

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT LUẬN VĂN THẠC SỸ

HỌC VIÊN: LÊ TRƯỜNG AN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 9/2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH ĐỨC CHẤN

ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO) ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ PID TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Trang 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH ĐỨC CHẤN

ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BAÀY ĐÀN (PSO) ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SOÁ BỘ PID TRONG ĐIEÀU KHIỂN TOÁC ĐỘ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐOÀNG BỘ BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270

Hướng dẫn khoa học:

T.S NGUYỄN MINH TÂM

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 9/2011

Trang 4

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: HUỲNH ĐỨC CHẤN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21-10-1982 Nơi sinh: Phú Yên Quê quán: Tuy Hòa- Phú Yên Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trợ Giảng tại Khoa Điện- Điện tử Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 201/13/1/28 Nguyễn Xí F26, Q.BT TPHCM Điện thoại liên hệ: 090.6924872 Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 09/2001đến 02/ 2006 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện- Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: THIẾT BỊ KIỂM TRA IC SỐ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 02/2006 tại Hội đồng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Người hướng dẫn:

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 02/209 đến 02/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tử

Tên luận văn:Ứng dụng thuật giải bầy đàn để xác định thông số bộ điều khiển PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 22/09/2011 tại Hội đồng Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm

Trang 5

Ngày & nơi bảo vệ:

5 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh (TOEFL 453 điểm)

6 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2006- 2007 Cty ACT Khu chế xuất Q7,

TPHCM Kỹ sư Điện Tử 2007- 2010 Cty Thermtrol VISP1, Bình Dương Kỹ sư đảm bảo chất lượng 2010- 2011 Trường Đại Học Lạc Hồng- Biên

Hòa- Đồng Nai Trợ giảng

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 15 tháng 09 năm 2011

(Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên

Huỳnh Đức Chấn

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2011

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 7

Lời cảm ơn

Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá trình học cao học tại trường

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS Nguyễn Minh Tâm người

đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tôi hoàn thành đề tài này

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 09/2011

Thực hiện

Huỳnh Đức Chấn

Trang 8

TÓM TẮT

Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field

Orientated Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn (Particle swarm optimazation- PSO) Trình bày chi tiết về phương pháp điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler Nichols và giải thuật bầy đàn Xây dựng mô hình và kiểm tra tính đúng đắng của mô hình Trong đề tài này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab simulink để mô hình hóa và mô phỏng cho điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler Nichols và giải thuật bầy đàn Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt

Từ Khóa: Động cơ ba pha, Điều chỉnh tham số, Giải thuật bầy đàn, Ziegler Nichols

Bộ điều khiển PID- PSO, Điều khiển định hướng từ thông

ABSTRACT

This thesis presents field oriented control (FOC) of induction motor and Particle swarm optimazation algorithm It presents in details about tuning of PID controller using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO) methods Constructing control model and checking the correctness of model are also included in this topic This thesis uses the programe language MATLAB SIMULINK for tuning of PID controller of induction motor using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO) The simmulation results show that the proposed method has good performance

Keywords: Induction Motor, Control Tuning Parameters, Particle Swarm

Optimization, Ziegler Nichols, PID-PSO Controller, Field Orientated Control

Trang 9

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân - i

Lời cam đoan - iii

Lời cảm ơn - iv

Tóm tắt - v

Mục lục - vi

Danh sách các chữ viết tắt - x

Danh sách các hình - xi

Danh sách các bảng - xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước - -1

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu - 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu - 4

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu - 4

1.3 Đối tượng nghiên cứu - 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu - 4

1.5 Kế hoạch thực hiện - 4

1.6 Kết cấu luận văn - 5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID - 7

2.1.1 Định nghĩa - 7

2.1.2 Đáp ứng ngõ ra - 8

2.2 Hiệu chỉnh bộ PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols - 8

2.2.1 Phương pháp Ziegler Nichol thứ nhất - 9

2.2.2 Phương pháp Ziegler Nichol thứ hai - 10

2.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha - 11

Trang 10

2.3.1 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f) - 11

2.3.1.1 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi - 12

2.3.1.2 Trường hợp tốc độ động cơ thấp - 13

2.3.1.3 Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức - 13

2.3.1.4 Đặc tính cơ - 13

2.3.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC - Field Orientated

Control - 15

2.3.2.1 Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor - 15

2.3.2.2 Vector không gian - 16

2.3.2.3 Chuyển từ a b c, ,    ,  - 17

2.3.2.4 Chuyển từ  ,   d q,  - 17

2.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct Torque Control - 18

Chương 3: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha - 20

3.1.1 Giới thiệu - 20

3.1.2 Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ - 20

3.1.3 Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ - 21

3.2 Vector không gian và các đại lượng ba pha - 22

3.2.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha - 22

3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (  ) - 24

3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q) - 26

3.3 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha - 28

3.3.1 Thông số của động cơ không đồng bộ - 28

3.3.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha - 28

3.3.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ(  ) - 30

3.3.4 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) - 31

3.4 Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ bằng Matlab – Simulink - 33

Trang 11

3.4.1 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ , - 33

3.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ d  q - 35

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG – FOC 4.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC - 38

4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển - 40

4.3 Giới thiệu cấu trúc hiện đại của FOC - 42

4.4 Phân tích các khối trong FOC - 43

4.4.1 Khối mô hình động cơ - 43

4.4.2 Khối chuyển tọa độ voltage (d-q) sang  - 46

4.4.3 Khối chuyển tọa độ current(ABC) sang d  q - 48

4.4.4 Khối MHTT (mô hình từ thông) - 50

Chương 5: GIẢI THUẬT TỐI ƯU HÓA BẦY ĐÀN 5.1 Lịch sử phát triển - 52

5.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn - 55

5.3 Mô tả thuật toán - 55

5.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO - 58

5.4.1 Mã hóa cá thể - 58

5.4.1.1 Mã hóa nhị phân - 58

5.4.1.2 Mã hóa hoán vị - 59

5.4.1.3 Mã hóa theo giá trị - 60

5.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu - 60

5.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) - 61

5.4.4 Hàm vận tốc v - 61

5.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể - 63

5.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO - 64

5.5.1 Đặc điểm - 64

5.5.2 Ứng dụng - 65

5.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn - 65

Trang 12

Chương 6: KẾT QỦA MÔ PHỎNG

6.1 Thông số của động cơ - 68

6.2 Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên Matlab - 68

6.3 Kết quả mô phỏng - 69

6.3.1 Theo phương pháp cổ điển ZN - 69

6.3.1.1 Động cơ khởi động không tải - 69

6.3.1.2 Động cơ khởi động không tải, có thay đổi tốc độ - 70

6.3.1.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 71

6.3.1.4 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 72

6.3.2 Theo thuật toán bầy đàn - 73

6.3.2.2 Động cơ khởi động không tải, có thay đổi tốc độ - 74

6.3.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 75

6.3.2.4 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 76

6.4 So sánh giữa hai phương pháp - 77

6.4.1 Tham số bộ PID và đáp ứng của tốc độ động cơ - 77

6.4.2 Hình ảnh mô phỏng - 77

6.4.2.2 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 79

6.4.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 80

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận - 81

7.2 Hạn chế - 81

7.3 Hướng phát triển của đề tài - 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

Trang 13

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

ACO Ant Colony Optimization

ANN Artificial Neural Network

DTC Direct Torque Control

FOC Field Orientated Control

GA Genetic Algorithms

IAE Integral absolute-error criterion

ISE Integral square-error criterion

ITSE Integral-of-time multiplied square-error criterion

ITAE Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion

MIMO Multiple-Input-Multiple-Output

MISO Multiple-Input-Single-Output

P Proportional controller

PI Proportional-integral controller

PID Proportional-integral-derivative controller

PSO Particle Swarm Optimization

PWM Pulse Width Modulation

SI Swarm Intelligence

SIMO Single-Input-Multiple-Output

SISO Single-Input-Single-Output

ZN Ziegler- Nichols

Trang 14

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Khâu điều khiển vịng kín - 7

Hình 2.2: Cấu trúc PID - 8

Hình 2.3: Sơ đồ khối của một hệ hở - 9

Hình 2.4: Đáp ứng của hệ hở - 9

Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ kín cĩ bộ PID - 9

Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ kín cĩ bộ tỉ lệ P - 10

Hình 2.7: Đáp ứng của hệ kín - 10

Hình 2.8: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số - 13

Hình 2.9: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng hở - 14

Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng kín - 15

Hình 2.11: Biểu diễn vector is trong khơng gian với các thành phần a, b, c - 16 Hình 2.12: Dịng điện stator is trong hệ a b c, ,  và  ,  - 17

Hình 2.13:Vector khơng gian của dịng stator trong hệ trục  ,  và d q, -17 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct Torque Control - 18

Hình 3.1: Sơ đồ tương đương một pha động cơ khơng đồng bộ - 21

Hình 3.2: Vị trí không gian các pha - 22

Hình 3.3: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha - 24

Hình 3.4: Hệ tọa độ stator (α - β) - 25

Hình 3.5: Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) - 26

Hình 3.6: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) - 27

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ - 29

Hình 3.8: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ (  ) - 33

Trang 15

Hình 3.9: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ (  ) - 34

Hình 3.10: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độd  q - 35

Hình 3.11: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ d  q - 36

Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC - 39

Hình 4.2: Vector dòng điện, điện áp và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d – q) - 41

Hình 4.3: Cấu trúc hiện đại của FOC được xây dựng bằng Matlab - 42

Hình 4.4: Sơ đồ khối mô hình động cơ - 44

Hình 4.5: Sơ đồ khối voltage chuyển tọa độ từ d  q sang  và cài đặc thông số của khối - 47

Hình 4.6: Sơ đồ khối current chuyển tọa độ từ (ABC) sang (d – q) và cài đặt thông số của khối - 49

Hình 4.7: Sơ đồ khối mô hình từ thông - 50

Hình 5.1: Mô tả kiến tìm đường - 53

Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO - 57

Hình 5.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học - 60

Hình 5.4: Chuyển động của cá thể - 62

Hình 5.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn - 66

Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID - 67

Hình 6.1: Sơ đồ tổng quan các khối - 68

Hình 6.2: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 69

Hình 6.3: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 70

Hình 6.6: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha

Trang 17

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1 - 10 Bảng 2.2: Bảng tính các thông số PID theo Z–N2 - 11 Bảng 6.1: Tham số PID và đáp ứng ngõ ra của tốc độ động cơ - 77

Trang 18

Chương 1 Tổng Quan

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong thực tế và đời sống, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta thường sử dụng các động cơ điện làm cơ cấu chấp hành Trước đây, các hệ thống điều khiển và truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh tốc độ thường dùng động cơ điện một chiều, loại động cơ này có nhiều nhược điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên khi công nghệ điện tử công suất phát triển, động cơ điện xoay chiều được sử dụng rộng rải hơn Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển có nhiều

ưu thế và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ, đồng bộ như một đối tượng điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội

Cũng như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng đạt được độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắc khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động

Để giải quyết những vấn đề trên người ta đã nghiên cứu và áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển, mỗi một phương pháp điều có những mặt mạnh, mặt yếu nhưng nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đã lựa chọn phương án điều khiển nào thì người thiết

kế đều đạt được những kết quả nhất định cho mục đích của mình Hiện nay, để điều khiển các hệ truyền động điện người ta đã áp dụng một số các lý thuyết tiêu biểu như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, hệ

mờ (Fuzzy)…và một số hệ điều khiển lai

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	6,57 MB